安全電池充電器設計三部曲 - 借用整合式CFE防護提高充電系統(tǒng)層級安全性

　　安全電池充電器設計三部曲

　　圖3顯示常用的鋰電池充電配置，鋰電池充電包括叁個階段，首先是預先充電，接著是快速充電穩(wěn)定電流（CC），最后是穩(wěn)定電壓（CV）。在預先充電中，電池以低速率充電。電池電壓低于3.0伏特時，充電速率通常是快速充電速率的十分之一。鈍化層在深度放電狀態(tài)下，長期沉積后可能溶解，便可逐漸恢復。此外，過度放電的陽極短路電池上出現(xiàn)部分銅分解時，預先充電可防止在1℃充電速率（可在1個小時內使電池完全放電的電流）下出現(xiàn)過熱狀況。

　　圖3 鋰電池充電配置

　　預先充電安全計時器，可避免電量耗盡的電池長時間充電。一般而言，電池電壓達到3.0伏特，充電器就會進入CC階段?？焖俪潆婋娏魍ǔＯ薅ㄔ?.5～1℃之間，以避免過熱導致電池加速衰減。速率必須慎選，確保電池溫度不超過45℃，以快速充電速率進行電池充電，直至電壓達到調節(jié)限度（對于LiCoO2的陰極通常是每顆電池4.2伏特）為止。充電器開始調節(jié)電池電壓并進入CV階段，此時充電電流會等比下降至預先定義的終止程度，結束電池充電。

　　對于電池使用壽命及安全性而言，電池充電電壓的準確性相當重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量，但是會縮短電池使用壽命，如圖4所示。對于±2.5%容差的電池充電電壓而言，充電電壓可能會達到4.3伏特，這會導致熱失控及安全性問題。為避免電池高溫充電，并提高安全性，充電器IC必須監(jiān)控電池組的溫度。只有在電池溫度維持在安全範圍內（0～45℃）時，電池才能充電，電池組通常會利用電熱調節(jié)器讓溫度達到安全範圍。此外，通常須要快速充電安全計時器，避免電量耗盡的電池長時間充電。一旦經過安全時間，即便電池未達到充電終止電流狀態(tài)，電池充電器也必須結束充電。

　　圖4 LiCoO2陰極鋰電池的充電電壓與使用壽命之間的關係

　　使用高度整合式線性電池充電器為單顆鋰電池充電相當普遍，因為這類充電器符合可攜式裝置的設計簡化、低成本及小體積尺寸等需求。其中的設計難題，在于使電池充電器維持在安全溫度運作範圍內，同時盡可能降低產生的熱量。最新開發(fā)的電池充電器具備散熱調節(jié)功能，能夠達到最高的充電速率，并且盡可能縮短充電時間，同時解決散熱問題。

　　線性充電器只是將轉接器的DC電壓調降至電池電壓的程度。線性充電器的功耗計算如下：

　　充電器從預先充電轉換為快速充電模式，且達最高功耗時，輸入電壓與電池電壓間的差異便相當大。例如，若使用5伏特轉接器為1，200毫安培小時（mAh）鋰電池充電，當充電電流為1安培（A）且電池電壓為3.2伏特時，最大功耗即為1.8瓦（W）。對于熱阻抗為47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面無接腳封裝（QFN），功耗會造成溫度升高85℃。接點溫度會超過允許的操作溫度上限（45℃環(huán)境溫度下為125℃）。確保良好的散熱設計在開始充電時，將接點溫度維持在安全範圍內，是一項相當困難的工作。在充電過程中，隨著電池電壓升高，功耗也會逐漸下降。

　　散熱調節(jié)迴路可避免充電器過熱

　　如何確保充電器維持在安全溫度運作範圍內，并提升散熱設計是一大挑戰(zhàn)，較進階的電池充電器採用散熱調節(jié)迴路避免充電器過熱。內部晶片溫度達到預先定義的溫度臨界值時，如110℃，后續(xù)的IC溫度提高，都會減少充電電流，如此即可限制功耗，提升充電器的過熱防護。導致IC接點溫度達散熱調節(jié)程度的最大功耗，取決于印刷電路板（PCB）配置、散熱通孔數(shù)及環(huán)境溫度（圖5）。

　　圖5 電池充電器的一般應用電路

　　散熱迴路運作時，充電電流會達到充電終止臨界值，這會導致錯誤終止充電，因為散熱調節(jié)功能通常是在快速充電的早期階段啟動。為避免錯誤終止充電，只要散熱調節(jié)迴路處于運作狀態(tài)，就不會使電池充電終止。此外，有效充電電流也會減少，使電池充電時間增加，因此，固定式安全計時器可能導致充電安全計時器錯誤終止。先進的電池充電器採用可自動減速時脈頻率的動態(tài)安全計時器，動態(tài)計時器控制電路可有效延長安全計時器持續(xù)時間，大幅降低安全計時器因散熱調節(jié)引起的故障機率。

　　加入第二層過壓防護提高電池安全性

　　如何才能提高系統(tǒng)層級充電的安全性和可靠性呢？一般可採用許多不同的轉接器為可攜式裝置供電，但不同的製造商往往採用不同的電流規(guī)格，使得可攜式裝置的系統(tǒng)設計人員必須克服技術難題，在使用不同轉接器時滿足各種安全要求，其中的困難包括輸入過壓、輸入過流、電池過壓及反向輸入電壓，這些都會造成系統(tǒng)損壞。

　　轉接器熱插拔、轉接器錯誤、暫態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)過壓等問題，都可能導致輸入過壓。當轉接器熱插入時，纜線電感與系統(tǒng)輸入解耦合電容之間的諧振會導致過壓。對于獨立式充電器而言，輸入過流可能不會造成問題，因為穩(wěn)定電流模式會限制供應給輸出或電池的電流量。不過，對于系統(tǒng)輸入有直接電源路徑的先進電池充電器而言，在輸入過多電流時通常沒有任何防護。

　　長期以來，設計人員對于轉接器在電流限制模式下運作有些顧慮，希望可程式輸入電流限制電路能確保轉接器不進入此模式。鋰離子/鋰聚合物電池組在高溫下過度充電，可能會發(fā)生危險的燃燒狀況。過度充電的跡象就是電池電壓升高。愈來愈多製造商都在尋找可確保電池組安全性與規(guī)範的安全措施，若要提高電池安全性，可加入第二層過壓防護移除輸入電源，在偵測電池過壓時關閉CFE功率金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）即可。

　　圖6顯示一般系統(tǒng)層級CFE電路。高電壓防護CFE可將高輸入電壓與低壓充電器及系統(tǒng)相隔離，以免系統(tǒng)出現(xiàn)高電壓。整合所有安全功能，包括輸入電流限制與防護、輸入電壓防護及電池過壓防護。無論出現(xiàn)何種故障狀況，CFE都會關閉MOSFET進行適當防護，以提升整體系統(tǒng)安全性。

　　圖6 一般的系統(tǒng)層級CFE電路

　　依據(jù)電池特性、充電器IC設計，以及系統(tǒng)層級安全考量，對設計更安全的電池充電系統(tǒng)相當重要，運用CFE、電池充電器IC及電池組的安全防護機制，充電系統(tǒng)可發(fā)揮更穩(wěn)定的安全效能。完全整合式CFE可提高充電系統(tǒng)層級安全性，而更安全的電池充電器設計可延長電池使用壽命，并避免過度充電的危險。